前端框架材料選擇及力學(xué)性能分析

朱曉華 劉立濤 曹金鵬

摘 要：目前，整車企業(yè)為滿足國家節(jié)能減排，控制油耗，降低整車綜合成本的目的，開發(fā)前端模塊，降低整車重量成為一種有效的方式。前端框架（Front End Module Frame，F(xiàn)EM-F）作為前端模塊集成各部件的主要載體，其力學(xué)性能成為模塊開發(fā)中不可忽略的重要部分，本文主要針對(duì)材料及已開發(fā)車型的前端框架進(jìn)行力學(xué)性能分析，為后續(xù)開發(fā)前端模塊打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：輕量化；前端框架；力學(xué)分析

1 概述

汽車的電動(dòng)化、輕量化以及智能化是當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)面臨的3個(gè)重要方向，節(jié)能、安全、環(huán)保是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展永恒的三大主題。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年我國汽車將突破1.5億輛，年耗油量將突破2.5億噸。工信部乘用車百公里6.9L的第三階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)于2014年1月1日起全面實(shí)施，到2020年乘用車企平均油耗將降至每百公里5L，油耗標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)苛。因此，輕量化是未來技術(shù)發(fā)展走向之一，市場(chǎng)影響舉足輕重。

汽車輕量化的指導(dǎo)思想是在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計(jì)各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜，其主要途徑有3個(gè)方面，分別是：

（1）汽車主流規(guī)格車型持續(xù)優(yōu)化，降低耗材用量。

（2）采用先進(jìn)輕質(zhì)材料。

（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以汽車前端模塊（Front End Module，F(xiàn)EM）為例，其由多個(gè)部件的總成構(gòu)成，包括前向照明系統(tǒng)、散熱器和冷卻風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器、格柵口加固板、吸撞緩沖區(qū)、帶有裝飾面板的保險(xiǎn)杠、車前蓋鎖閉系統(tǒng)、雨刷噴水瓶，以及各種電子組件和線路布置等，具有組件多、重量重的缺點(diǎn)。對(duì)此，在前端中引入輕質(zhì)材料如塑料進(jìn)行減重效果明顯。然而直接采用以塑代鋼的思路和方法在實(shí)際實(shí)施過程中卻困難重重，因?yàn)樗芰辖Y(jié)構(gòu)很難達(dá)到與金屬前端相同級(jí)別的剛度、強(qiáng)度和抗沖擊性能，難以保證前端模塊的可靠性和耐久性能。以塑代鋼必須以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝定位方案的應(yīng)用作為支撐。近年來，興起的模塊化的設(shè)計(jì)和組裝帶來了汽車前端設(shè)計(jì)新的契機(jī)，也為汽車輕量化進(jìn)一步發(fā)展帶來革命性的變化。

本文針對(duì)車型LY和車型LD的前端框架進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)前端框架設(shè)計(jì)中應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能具有指導(dǎo)作用。

2 研究方法

本文首先采用CAE分析法對(duì)不同材質(zhì)的前端框架進(jìn)行力學(xué)性能分析，指導(dǎo)前端框架設(shè)計(jì)中材料的選擇問題，之后聯(lián)合國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，在試驗(yàn)環(huán)境符合GB/T 2918的情況下，針對(duì)車型LY和車型LD的前端框架進(jìn)行了力學(xué)性能分析，包括機(jī)蓋鎖區(qū)強(qiáng)度、機(jī)蓋鎖保持力、機(jī)蓋鎖處受力、兩點(diǎn)變形、上部橫梁剛度、掌壓剛度、緩沖塊區(qū)域剛度、大燈支撐剛度等，為前端框架力學(xué)性能的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

本文所述試驗(yàn)達(dá)標(biāo)基準(zhǔn)及方法均經(jīng)過與某整車廠的檢討（試驗(yàn)方法如表1），對(duì)前端框架的設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

3 結(jié)果分析

3.1 材料選擇

本文對(duì)兩種常見的用于車輛功能件生產(chǎn)的材料進(jìn)行了研究：PP-LFT30（Polypropylene-30% long glass fiber）和PA6-G30（Polyamide-30% glass fiber），兩者的最高使用溫度分別為120℃和140℃，而整車中前端框架的環(huán)境溫度長(zhǎng)期約120℃（因車型不同存在差別），因此，就使用溫度而言，PA-G30優(yōu)于PP-LFT30。

兩種材料的模量隨環(huán)境溫度的變化均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，沒有明顯的區(qū)別。而強(qiáng)度則呈現(xiàn)明顯的不同，PA-G30的強(qiáng)度在高溫環(huán)境中比PP-LFT30高約50 MPA，而在低溫環(huán)境中高約80 MPA。因此，PA-G30材料優(yōu)于PP-LFT30。

然而，就成本而言，PP-LFT30 低于PA6-G30，就材料密度而言，PP低于PA（兩者相差約0.17g/cm3），因此PP-LFT30的輕量化效果優(yōu)于PA-G30。因此在整車設(shè)計(jì)中，很多整車企業(yè)仍選用PP-GF制造前端框架。本文針對(duì)兩種PP-GF的前端框架進(jìn)行力學(xué)性能研究，以指導(dǎo)前端框架的設(shè)計(jì)。

3.2 機(jī)蓋鎖力學(xué)性能分析

車型LY和車型LD的前端框架分別采用PP-GF30（PP-Short glass fiber，PP-30%短玻纖）和PP-LGF40（PP-Long glass fiber，PP-30%長(zhǎng)玻纖）進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行研究，分析載荷及位移的關(guān)系，結(jié)果如圖1～4所示。

由圖，LY、LD車型的前端框架分別在載荷達(dá)到4750N和6000N，失效時(shí)間分別為14s和20s，說明隨著玻纖含量的增高，F(xiàn)EM-F強(qiáng)度增強(qiáng)。載荷失效時(shí)，兩者最大可承受位移分別為25mm和115mm，由失效時(shí)曲線的變化情況可知，LD車型的FEM-F可承受最大載荷約5s，而LY在負(fù)載達(dá)到峰值后迅速失效，說明長(zhǎng)玻纖較短玻纖FEM-F具有較好強(qiáng)度。由兩種FEM-F實(shí)驗(yàn)后的樣件狀態(tài)可以看出，LY車型的FEM-F已破裂，而LD車型未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，推測(cè)長(zhǎng)玻纖的FEM-F具有較好的機(jī)蓋鎖保持力。

而LD的機(jī)蓋鎖保持力結(jié)果如圖8～9所示，由圖可知，載荷小于2000N時(shí)，機(jī)蓋鎖區(qū)位移小于20mm，而在位移20mm至140mm間，機(jī)蓋鎖區(qū)平均可承擔(dān)負(fù)載約1900N，持續(xù)時(shí)間達(dá)6.5 s，這與機(jī)蓋鎖強(qiáng)度的研究結(jié)果對(duì)應(yīng)，說明長(zhǎng)玻纖FEM-F具有較好的機(jī)蓋鎖保持力，在高負(fù)載下可保持較長(zhǎng)時(shí)間的形態(tài)穩(wěn)定。

3.3 上橫梁剛度

FEM-F在集成部件時(shí)，上橫梁是承擔(dān)部件的主要承載點(diǎn)，因此，上橫梁剛度決定著FEM-F的整體性能。對(duì)兩種FEM-F的上橫梁進(jìn)行力學(xué)性能分析，包括上部橫梁點(diǎn)壓剛度和掌壓剛度。

LY車型的上橫梁點(diǎn)壓剛度較LD高約35N/mm，而掌壓剛度則低約80N/mm。這與玻纖在PP中的破壞模式有關(guān)。在施加點(diǎn)壓時(shí)，短玻纖由于較小面積內(nèi)玻纖數(shù)量較多且連續(xù)，短玻纖增強(qiáng)PP呈現(xiàn)出較弱的剪切應(yīng)力，呈現(xiàn)出較好的剛度，而檢測(cè)掌壓剛度時(shí)，由于施力面積較大，短玻纖在PP內(nèi)呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，長(zhǎng)玻纖則呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，因此掌壓剛度較好。設(shè)計(jì)前端框架時(shí)，需要考慮框架上橫梁受力狀態(tài)選用合適的材料。

3.4 大燈支架剛度分析

在某些車型FEM的設(shè)計(jì)中，前大燈集成于前端模塊中，因此，前端框架的設(shè)計(jì)中需要具有承載前大燈的功能。對(duì)LD車型的FEM-F的大燈支架進(jìn)行分析，支架上部剛度須達(dá)400N/mm以上方可承擔(dān)前大燈。

4 結(jié)論

（1）就性能而言，PA較PP更適宜于FEM-F；

（2）隨著玻纖含量增高，F(xiàn)EM-F具較好的力學(xué)性能；

（3）根據(jù)受力情況不同，可選擇不同的材料制造上橫梁，長(zhǎng)玻纖呈現(xiàn)較好的掌壓剛度，短玻纖呈現(xiàn)較好的點(diǎn)壓剛度；

（4）大燈支架剛度需達(dá)到400N/mm以上。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京北汽模塑科技有限公司前端模塊事業(yè)部）